GPS-korrektsioon kvartskellale

[fre]

Alustan uue teemaga. Eelmine ("DCF77-korrektsioon kvartskellale")
https://www.elfafoorum.eu/forum/tehn...ifoorum/82866-
on enam-vähem lõpetatud.
Täpse ajaetaloni saamiseks ongi kodustes tingimustes kaks varianti -
kas Saksamaalt ülipikal lainel (sagedusel 77,5kHz) saadetav või hoopis
kosmosest GPS-satelliitidelt tulev ajasignaal.
Pean ütlema, et mõlemal variandil on omad eelised, aga ka puudused.
Alustuseks nendest väike kokkuvõte:
DCF77 vastuvõtja headeks omadusteks on selle suhteline lihtsus ja
väga väike voolutarve. Suhteliselt lihtne on signaalijadast ka minuti
alguse signaali eraldamine (vt. minu eelmine teema). Kuna asume
saatjast kaugel (umb. 1500km), raadiolevi äärealal, on selle variandi
probleemiks puhta signaali saamine. Ööpäevaringselt ei saagi, pimedal
ajal veel küll, aga ka "kohalike" raadiohäirete allikaid aina lisandub.
Nii võib mõne aasta pärast selguda et Eestis seda varianti enam ei
saagi kasutada.
GPS vastuvõtumoodulite kohta võiks (minu jaoks) kolm puudust
välja tuua. Suur voolutarve keeruliste ülesannetega toimetuleku
vajadusest tingituna (mulle on vaja vaid ajasignaale), 50...90mA.
Muidugi pole suur voolutarve minu jaoks probleem, ilmselt piisab
mulle sellest kui korra ööpäevas mõneks minutiks sisse lülitada.
Teiseks puuduseks (minu jaoks!) oleks minutisignaali puudumine
(tegelikult ju on, aga keeruline eraldada). Niisiis võin arvestada
vaid sekundiimpulsside vastuvõtuga. Kolmandaks puuduseks
võiks veel pidada vajadust paigutada see ruumis akna lähedale.
Kaugemal (aknast rohkem kui meetri kaugusel) ei saa ta satelliitide
signaale kätte, nii kõrge sagedus läbi seinte ei tule. Mul pole küll
metallikihiga aknaklaase, võib-olla et selliste puhul üldse ei saa,
pole katsetanud. Eks siis tuleks vastuvõtja (või selle antenn) õue
viia, et asi üldse toimiks.
GPS süsteemi toimimise eelduseks ongi väga kõrge täpsusega
ajaetaloni kasutamine (mulle piisaks hoopis tagasihoidlikumast),
pakutakse viga vaid kuni 40 nanosekundit ja seda 95% ajast.
Rohkem lugemist (inglise keeles):

https://timetoolsltd.com/gps/what-is-gps-time/

Kui kedagi huvitab, siis aatomkella tööpõhimõtte kohta veidi:
https://www.timeanddate.com/time/how...ocks-work.html

[tcumen]

Ma just ükspäev sirvisin poe parklas ajaviiteks foorumeid ja teemasid ja mõtli, kas lugupeetav GPS-i asjale pole mõelnud?

No ja näe, teema püsti. Meil vist (kristall)kuulid võnguvad samas rütmis?

Igatahes ootame kirjeldusi.

[Elektrik]

Loen ka hea meelega.
On üks projekt plaanis ja sobiks sinna.

[fre]

Mul on olnud võimalus teha veidike katseid kahe erineva GPS vastuvõtumooduliga,
millel PPS (1PPS) väljund on ka olemas (ettevaatust, kõigil pole see välja toodud!).
NEO-6M on vanem mudel (edaspidi lühendiga "moodul A" või lihtsalt "A").
Minu omale kõige suurema sarnasusega pildi leidsin ka, minu variandil on moodul
ja antenn siiski eraldi, aga omavahel kaablijupiga ühendatud:
https://www.waveshare.com/img/devkit...S-NEO-6M-1.jpg
Fastrax uPatch 102-R on vast uuem (edaspidi lühendiga "moodul B" või "B").
Selle kohta internetist praegu midagi sobivat ei leia (miski sarnane on vaid
http://www.ideaport.edu.hel.fi/opa/gps_moduuli_data.pdf )
aga mul arvutis on päris õige fail ka olemas.

Mooduli "A" viigud (vt. pildil):
1 - PPS
2 - RX
3 - TX
4 - GND
5 - VCC

Mooduli "B" viigud (avad rivis, sammuga 1.27mm):
1 - VDD
2 - TX
3 - RX
4 - GND
5 - XRESET
6 - VBAT
7 - 1PPS
8 - FIX
9 - BAUD 0
10 - BAUD 1

Viigud RX, TX, XRESET, BAUD 0 ja BAUD 1 oleks kasutusel siis kui on vaja
kahepoolset andmevahetust GPS mooduliga. Näiteid on internetis küllaga,
aga siinsest teemast jääb kõik see välja (huvilised võivad vabalt sellekohase
uue teema alustada). Kasutan GPS vastuvõtumoodulit ainult sekundi-impulsside
saamiseks väljundilt PPS (1PPS).
Viigud GND ja VCC (VDD) vast erilist selgitust ei vaja. Toitepinge on 3,3...5,5V,
selleks sobib väga hästi liitiumaku pinge, mis jääb just lubatud vahemikku.

Moodulil "A" on plaadi nurgas pisike LED. See süttib toitepinge andmisel ja jääb
seni püsivalt põlema kuni on satelliitide signaalid kätte saanud, siis tekib vilkumine
sekunditaktis. Samal ajal kui sellel LED-il ilmuvad lühiajalised kustumised, tekivad
ka väljundis PPS lühikesed impulsid sekunditaktis (seni oli seal madal nivoo).

Moodul "B" annab infot rohkem, selleks on tal väljund FIX. Peale sisselülitamist
(pinge toiteotsale VDD) on sellel kahesekundilise perioodiga signaal (1s kõrge
ja 1s madal nivoo vaheldumisi, "Searching"). Kui ta on satelliite "leidnud", (kolm
satelliiti ehk "Tracking") läheb periood lühemaks (0,5s kõrge ja 0,5s madal nivoo
vaheldumisi). Täieliku valmisoleku järel (nelja või enama satelliidi signaalist,
tööseisund "Positioning") tekib väljundile FIX püsivalt kõrge nivoo.
Kuigi sekundisignaal ilmub väljundile 1PPS juba varem, oleks ehk mõistlikum
ka see püsivalt kõrge nivoo ära oodata, tuleks "puhtam ja kuivem" tunne...
Toiteviik VBAT peab töötamiseks samuti pingestatud (+2,5...5,5V) olema, aga
kui sellel koguaeg pinge hoida (siis tarbib sealt ainult kuni 20µA), tagatakse
"Hot start" ehk valmisolek 8 sekundiga peale VDD pingestamist.

Tegin "B" ühendamiseks talle vaheplaadi, sarnase pistikuga nagu on moodulil
"A", siis saab sinna pessa ka "A" pista (mitte korraga, üks jääb teisele reserviks).

Skeemilahendused tulevad, jooksvalt väljamõtlemise käigus, nagu mul ikka...

Kui "B" kellelgi juhtumisi veel on ja otsib selle kohta lisainfot, võib küsida minult,
mul on arvutis selle kohta 22 lehekülge .pdf fail.

[klm]

Tegelikult saab 1PPS moodulina kasutada suvalist GPS moodulit.
Andmeid saadetakse GPS ist välja tavaliselt 1 kord sekundis ja saab kasutada andme väljundit.
Võib lihtsalt lugeda kindlas aja aknas signaali nivoo muutumist ning edasist datat pole üldse vaja lugeda.
Et siis esimese signaali muutumise ajal paned taimeri käima ja 0,9 sekundi pärast hakkad uuesti signaali jälgima ning mõõdad signaali tõusu momendi aja ära.

[a1]

Saan ma õigesti aru, et idee on "ujuma läinud" 1Hz uuesti sünkrooni saada?
Sõltumata ajanäitaja näidust.

[urmas78]

Ma pakuks ikka mikroprotsessorit, sellega oleks seda väga lihtne teha. Kiiruse korrektsioon on prosede rtc-sse tihti sisse ehitatud, olen kasutanud ja head tulemust saanud. Kuid nagu aru saan siis see teema on analoogis probleem lahendada varikappi kasutades?

[fre]

Jah, põhimõte on VCXO sageduse korrektsioon, nagu ka minu eelmises teemas.
Kuna sujuvalt liikuva sekundiosutiga kellad vajavad õiges ajas püsimiseks kogu
aeg (katkematult) stabiilset sagedust, saan selle kvartsgeneraatori sagedust alla
jagades. Selle sageduse kõrvalekaldumise puhul jäävad kellad õigest ajast maha
või käivad ette. Kuna neid järsult õigeks panna ei saa, tuleb korrigeerida sagedust.
Skeem peab tuvastama, kas kell(ad) on õigest ajast maha jäänud või ette käinud
ning väljastama pinget vastassuunaliseks sageduse muutmiseks. Nii jääb (jäävad)
kell(ad) keskmiselt ikka õiget aega näitama. Väike (suurusjärgus nt. pluss-miinus
0,1 sekundit) kõikumine selle ümber oleks ju tühiselt väike viga.
Eelmise teema skeem eraldas lisaks ka minuti alguse impulsi, siin aga saan ainult
sekundi-impulsse kasutada. Alguses tuleb kell(ad) nagunii käsitsi õigeks panna,
edasise eest hoolitseb juba skeemilahendus.
GPS-ajaetaloniga võib võrrelda oma kella sekundisignaale või selle asemel hoopis
minuti alguse momenti, tulemus on ikka sama. Mõlemal juhul tuvastab skeem, kas
oma kell on maha jäänud või ette käinud ja annab vastassuunalise mõju seni kuni
jälle järgmine sünkroniseerimise "seanss" tuvastab vajaliku suuna. Kui tihti neid
"seansse" teha, noh, arvan et korra ööpäevas oleks hea küll. Selle eest panen
"hoolitsema" ühe programmkella mooduli (nendest oli juba juttu minu eelmises
teemas), mis GPS vastuvõtjat sisse/välja lülitab.
Sisselülitatuna võiks hoida näiteks kaks minutit, esimese minuti jooksul saab GPS
vastuvõtja sekundiimpulsid väljundisse, siis tuleb oma kellalt minuti alguse impulss
võrdlemiseks, kas see tuli GPS-i sekundiimpulsist varem või hiljem. Seejärel võib
GPS-mooduli järgmise "seansini" välja lülitada.
Sisuliselt on tegemist faasdetektoriga ja PLL-süsteemiga, mis põhimõtteliselt tagab
õige sageduse sünkroonis etaloniga, nagu seda ka sagedussüntesaatorites tehakse.
Niisiis, konstrueerin järjekordset (ka varasemast tuttav teema) sagedussüntesaatorit...

PS (kui muudan või täiendan oma postitusi, see "Uued postitused" kaudu ei avaldu):
Tuletaks siinkohal meelde sagedusdetektori ja faasdetektori põhilist erinevust.
Kui sagedusdetektor töötab, jääb ka väike viga sageduses, muidu ei saaks ta töötada.
Kui faasdetektor töötab, jääb väike faasiviga, sest muidu ei saaks ta töötada.
Erinevus tulenebki sellest, et faasiviga ei avaldu sageduse veana. Antud juhul avaldub
see kella käigu õigsuses - ta võib küll veidi ette käia või maha jääda (minu jaoks pole
üldse probleemiks kuni viga ei ületa nt. 0,5 sekundit), kuid keskmiselt näitab ikka õiget
aega (sünkroonis aatomkellaga!). Huvilised saavad lugeda, mis on GPS-UTC Offset,
(vt. link teema esimeses postituses) seda korrigeeritakse vahel sekundikaupa kui on
kogunenud (nüüdseks vist 37 sekundit juba) selline vajadus. See on siis Leap second,
millega vajadusel tuleb käsitsi tegeleda, sest kuigi ette-ennustatav ta vist pole.
Lisasekundi kohta https://en.wikipedia.org/wiki/Leap_second

Vast nüüd on aeg juba skeemiarendusest ka kirjutada...

[fre]

Nagu ka minu eelmises teemas, hakkab faasdetektorina tööle jälle D-triger. Tuleb aga arvestada mõningate
erinevustega ja nüanssidega. Kõigepealt - selle sisendid D ja C lähevad vahetusse. Kellalt, kus ikka seesama
К176ИЕ12, saan väljundilt M (viik 10) minuti perioodi, see kestab 40 (madal nivoo) + 20 sekundit (kõrge nivoo).
Minuti vahetusel läheb kõrge nivoo madalaks, aga trigeri sisend C vajab vastupidist fronti (madalast kõrgeks),
seepärast tuleks signaal enne inverteerida. Mõte on sellest hoopis impulss formeerida, oleks lihtsam vahele
panna loogikalüli, mis GPS-sekundi-impulsside puudumisel minutivahetuse momenti trigerile ei lasekski (*).
Siis on trigeril võimalik säilitada oma seisu kuni järgmise "seansini".
PPS (1PPS) ei ole meander (0,5 sekundit madal ja 0.5 sekundit kõrge nivoo), aga oleks mõte see enam-vähem
selliseks formeerida (*). Seda selleks et tööolukorras tuleks võrdne ajareserv õigest momendist "mõlemale poole".
Selgitav joonis eelnevale jutule:

Sisendile D tulevad GPS sekundisignaalid (jämedamad jooned on sekundite alguste momendid).
Sisendile C tuleb oma kella minuti algusest formeeritud impulss, see viib trigeri sellesse seisu, mis
on parasjagu sisendil D.
Kui kell on õigest ajast maha jäänud, on D-sisendil kõrge nivoo (loog. 1), läheb triger seisu "1".
Kui kell on õigest ajast ette käinud, on D-sisendil madal nivoo (loog. 0), läheb triger seisu "0".
Esimesel juhul sunnitakse VCXO töötama õigest sagedusest (32768Hz) veidi kõrgemal (nt. 32768,05Hz).
Teisel juhul madalamal (nt. 32767,95Hz). Niimoodi siis keskmiselt õigel sagedusel, sünkroonis GPS ajaga.
Igatahes sünkroniseerimise "seansse" (GPS mooduli sisselülitamisi) tuleb teha piisavalt sageli, enne kui kella
käiguviga pole veel ületanud 0,5 sekundit (kui just see Leap second parajasti päevakorras pole). Võimalik on
skeem häälestada kasvõi nii et "seansse" oleks nt. korra nädalas, aga eelistaks seda siiski korra ööpäevas teha.

Näites toodud VCXO sageduse kõrvalekalle +/- 0,05Hz tekitaks ööpäevas +/- 0,125 sekundit käiguvea,
mille puhul olekski paras üks kord ööpäevas GPS-korrektsiooni teha.

Lisaselgituseks sobiks mu eelmise teema postitus, kui tekstis asendada "DCF77" asemele "GPS":
https://www.elfafoorum.eu/forum/tehn...e2#post1120292

Uus skeem jääb kordama eelmise teema postituse
https://www.elfafoorum.eu/forum/tehn...e2#post1121375
skeemi parempoolses osas, piirjoon jookseb läbi trigerite. Sellest piirjoonest vasemale jääv osa tuleb uus.
Toiteplokk jääb sama mis eelmise teema postituses
https://www.elfafoorum.eu/forum/tehn...e2#post1125473

(*) - Selles põhiliselt seisnebki skeemimuudatus üleminekuks DCF77-korrektsioonilt GPS-korrektsioonile,
millest juba edaspidi...

[fre]

Trigerile sobivaks (eespool oli tekstis tähistatud märgiga (*))
võiks GPS-mooduli ja kella signaalid vast umbes niimoodi teha:

DD1...DD2 loogikalülidel on klassikaline impulsi pikendaja skeem, kus R3 tuleks
valida niisugune, et väljundis (viik 4) oleks enam-vähem 0,5 sek. pikkusega impulsid.
C1, R1 ja R2 väärtused pole ilmselt kriitilised.
Kui kaob pinge VDD (või VCC) GPS-mooduli toite väljalülitamisel, ei saa triger enam
minuti alguse impulsse ja säilitab vajaliku seisu kuni järgmise "seansini".

Esialgse GPS-korrektori skeemi panin ka kokku, millalgi läheb katsetamiseks...
(klikk skeemil toob selle eraldi välja):

Väljunditele SEK, MIN, E, T ja 1Hz tulevad LED-id (transistorlülituste kaudu, toide
ainult võrgupinge olemasolul, vt. eelmine teema). Erinevus - MIN on siin oma kella
minutivahetusest tulenev LED-i vilgatus, C2 ja R4 valikuga nt. 0,1 sekundit kestev.
Seda näeb ka vaid siis kui GPS moodul on sisse lülitatud. Millekski on ka nii hea...

Mooduli "B" kasutamisel tuleb selle otsale VBAT ka toitepinge anda, kas pidevalt
(siis on tagatud "Hot start") või koos pingega VDD (pole ju kiiret ka kuhugi, sest
"seansiks" võin programmkella moodulilt kasvõi mitu minutit panna).

Eks üht-teist on vaja sellel skeemil valida/muuta (nt. C2, R4...R6), seni veel plaadi
joonisele ei mõtle. Arvatavasti panen eelmise teema skeemiga pistikute poolest ka
sobima, et oleks lihtne neid omavahel vahetada. Indikatsioon (LED-id), toiteplokk
ja muu jäävad samad.

Kui kellelgi on olnud tahtmist-viitsimist eelnevasse süveneda, siis mõtted ja arvamused,
aga ka küsimused ja ettepanekud on siia teemasse oodatud.

[fre]

Indikatsioonist.
LED-id võiks paikneda näiteks selliselt:


1Hz vilguks koguaeg, SEK näitaks et GPS vastuvõtumoodulist,
kui ta on sisse lülitatud, väljub sekunditaktis PPS (1PPS). Siis
näeks ka kella minuti alguse MIN vilgatust, misjärel E või T
jääb näitama, kas kell oli ette käinud või maha jäänud.
Samal ajal mõjutatakse VCXO sagedust "vastassuunas",
kuni järgmise "korrektsiooniseansini".
Kui aga peaks elektrikatkestus olema ("ahvid võtsid voolu ära"),
on kõik LED-id kustunud, aga kõik muu töötab liitiumakult.

Akuks on praegusel "katseajal" väiksem, 850mAh "17350"
(pärineb mingist E-sigaretist). Võib-olla see jääbki.

[urmas78]

Kahe sageduse sünkroonis hoidmiseks kasutatakse tavaliselt pll ehk faasilukk ahelat, kahe trigeriga. See annab väljundiks alalispinge millega varikappi tüürida. PLL võimaldab väga suures ulatuses sagedusi paigal hoida. Sünkroonist väljminek on pea võimatu ja ka seda saab detektida. Siin skeemis nagu aru saan on vaid kas kiiremaks või aeglasemaks ja korrektsioon peab olema nii aeglane et üle 0,5 sekundi mööda ei läheks, seega eeldab eelnevat täpsekskruttimist. Miks mitte pll?

[fre]

Ka siin on sisuliselt tegemist PLL-ga, aga protsess on üliaeglane - minut, ööpäev...
Seepärast ei õnnestu kasutada proportsionaalset mõjutamist, nagu kahe ühesuguse
sageduse faasierinevuse võrdlemisel teha saab (sagedussüntesaator, kahe trigeriga
tuttav faasdetektor varikapi tüürpinget hoidva kondensaatoriga).
Kunagi selles postituses
https://www.elfafoorum.eu/forum/tehn...58-#post840948
olen faasdetektoritest veidi kirjutanud, mainitud kondensaator on alumisel skeemil C1.

Oleks kusagilt võtta puhas etalonsagedus (näiteks seesama DCF77 oma - 77,5kHz),
saaks juba klassikalist sagedussüntesaatori põhimõtet rakendada. Aga - pole ju.

Saadaolevate sekundi-impulssidega on võimalik teistsugune lahendus, nagu siin.
Või olen millegist valesti aru saanud? Milline oleks sel juhul lahenduse põhimõte?

PS. Mis puudutab "eelnevat täpsekskruttimist", siis see pole minu meelest probleem.
Skeemi tööks on vaja, et juhttrigerist tulev mõjutus VCXO-le ühel juhul sunniks kella
õigest ajast ette käima ja teisel juhul maha jääma. Kesksagedus ei pea olema ülitäpselt
paika krutitud, see peab lihtsalt jääma nende kahe vahele, et mõlemasuunalisi mõjutusi
soovitavalt enam-vähem sama tihti toimuks (E ja T LED-id annavad sellest teada).
Ei usu et korra täpsekskrutitud kesksagedus niipalju "triivima" läheb, et hiljem sekkuma
peaks. Maketeerimisel ja katsetamisel oli esialgseks tulemuseks mingi sekundijagu
viga umbes ühe kuu jooksul, paremat pole vajagi. Sekundijagu nädalas oleks juba hea.
Mismoodi kogu skeem esialgselt välja häälestada ja mida sealjuures arvestada, teeme
veel edaspidi juttu.

[fre]

.......
Mismoodi kogu skeem esialgselt välja häälestada ja mida sealjuures arvestada, teeme
veel edaspidi juttu.

Nüüd on kurb lugu...
Mõtlesin-juurdlesin asja üle ja mis selgub...
Kõigepealt pean üles tunnistama, et ma pole tegelikkuses oma lihtsustatud lahendust
päris tööle panna veel jõudnud. Kui nüüd järele mõtlesin, sain aru et olen sunnitud seda
veel täiendama. Kui piirduda lihtsustatud lahendusega, sundides VCXO-d ainult kahel
võimalikul sagedusel (ettekäimine / mahajäämine) töötama, tekib mõlemal juhul jama.
Toimub kas ala- või ülereguleerimine ja mitme "seansiga" hoopis koguneb käiguviga
mõlemal juhul, mille tagajärjel haakub süsteem hoopis "naabersekundi" külge.
Puudub see "kondensaator", mis vea suurust või paranduse väärtust meeles hoiaks,
nagu see klassikalises sagedussüntesaatoris faasdetektori ja VCO vahel on ja toimib.
Kunagi isegi oli mõte reeversloendurit selleks kasutada, aga liigselt lootsin ütlusele
et "lihtsuses peitub ilu". Nii et - mõtleme veel... Tuletan uuesti meelde need mõtted...
Reeversloendur К561ИЕ14 on tuttav, olen neid varemgi kasutanud, võiks siia sobida.

Kui keegi viitsib kaasa mõelda, on arvamused teretulnud.

[urmas78]

Loogikatega on kõike seda päris raske teha, läheb keeruliseks. Pakun ikka protsessorit välja, vaid 1 kivi protsessori näol ja tarkvaraga saab selle kõik seal sees hästi tehtud. Võin tarkvaraga aidata. Gps on niikuinii digitaalne julla seega analoogiks seda projekti lõpuni nimetada ei saa. Või kui kõike ei taha siis pakun välja et 1 protsessor loeb maha gps-ilt tuleva kella ja annab välja minutiimpulsi, selle abil ei saa sekund valeks minna, valeks saab minna vaid terve minut ja see ei tohiks olla võimali, et nii suur erinevus tekiks.
Kui küsida tohib siis miks on plaanis gps välja lülitada?